高速列车车身表面气动噪声源研究_资料下载.pdf

1、该试验对认识高速列车气动噪声源的分布具有重要的意义,但也有相当大的局限性,主要表现在:（1）试验费用昂贵,且新设计的列车在未制造之前无法进行试验;（2）受到线路、环境、设备、车辆等诸多因素的影响,有时必须进行多次试验才能得到比较理想的数据;（3）测量数据有限,不容易得到列车声场的整体特征。在产品设计的初始阶段,往往需要定性地分析结构或者外形所产生噪声的大致分布情况,基于 k?模型的噪声源分析方法可以解决这一难题。该方法适用于确定区域内最重要的噪声源,确定设计中的变量参数对噪声影响的主次关系。在初始设计阶段,此方法可为产品的改进设计提供直接参考。本文从数值模拟的角度,利用宽频带噪声源模型,系统地

2、研究了在不同的运行速度（200 km/h 400km/h）和不同的运行工况（平地、路堤、高架桥）下,高速列车车身表面气动噪声源的分布。1?宽频带噪声源模型在许多工程应用中的湍流,噪声没有明显的频段,声能在一个宽频段范围内按频率连续分布,这就涉及收稿日期:2009?09?11;修订日期:2010?03?03基金项目:铁道部科技研究开发计划（2009J001?D）;国家自然科学基金（50525518）作者简介:刘加利（1985?）,男,博士研究生。到宽频带噪声问题。湍流参数通过 RANS 方程求出,再采用一定的模型（如 Proudman 方程模型、边界层噪声源模型、线性 Euler 方程模型等）计

3、算表面单元或是体积单元的噪声功率值。Proudman 方程利用 Lighthill 声模拟理论,推导出各向同性湍流运动的声功率方程;Lilley 对 Proud?man 方程中忽略的时间滞后的微分加以考虑,重新推导方程。这 2种推导都得到各向同性湍流的单位体积的声功率 PA（单位为 W/m3）的表达式 1?2:PA=?0u3lu5a50（1）式中:u?湍流速度;l?湍流尺度;a0?声速;?模型常量;0?静止流场中流体的密度。用湍流动能 k 和湍流耗散率?表示,式（1）可以写为 7:M5t（2）其中Mt=2ka0（3）式中:模型常量,依据各向同性湍流数值模拟的结果,由 Sarkar 和 Huss

4、aini 测得?=0?1。在特定的湍流区域,Proudman 方程可以求出体积单元某处位置的噪声功率。但是流动必须满足高Reynold 数、小 Mach 数、湍流各向同性等条件。声功率级 Lp定义为 3:Lp=10 1gPAPref（4）式中:Pref?参考声功率,取 Pref=10-12W/m3。试验研究铁道车辆?第 48 卷第 5 期 2010 年 5 月?测量噪声的最终目的是要降低噪声,宽频带噪声源模型可以获得有用的噪声源信息,帮助判断到底哪部分是噪声产生的主因,但无法预测空间噪声的情况。宽频带噪声源模型不需要任何控制方程的瞬态求解,所有的源模型参数（如平均速度、湍流动能、湍流耗散率等）

5、都可以由稳态的 Reynolds 平均 Naiver?Stokes方程（RANS 方程）直接提供。2?高速列车外部绕流流场计算2.1?数学模型根据所求解问题的特性和目前有限的计算机计算能力,本文对高速列车外部绕流流场的数学模型作如下假设:高速列车周围流场为定常流动;高速列车最高速度为 400 km/h,Mach 数为 0?328,空气密度的变化对流动的影响可以忽略不计,可以按不可压缩黏性流考虑;湍流模型采用标准 k?两方程湍流模型。因此,高速列车外部绕流流场选为黏性不可压缩定常流,在笛卡儿坐标下,其基本控制方程为连续方程和 Reyn?olds 平均 Naiver?Stokes 方程（RNAS

6、方程）:ui xi=0（5）xj（uiuj）=-p xi+xj!ui xj+uj xi+xj（-ui!uj!）（6）式中:ui,uj?列车周围流场平均速度,i,j=1,2,3,分别代表流场速度矢量沿 x、y、z 3 个坐标方向的速度分量;xi,xj?坐标的 3 个分量,i,j=1,2,3,分别代表 x、y、z 3 个方向坐标;空气的密度;p?平均压力;!运动黏性系数;-ui!由于湍流脉动所造成的应力,称为 Reynolds 应力。由于-ui!这一高阶项的存在使方程组中未知量的个数多于方程个数,即方程组不封闭,如何补充条件使方程组封闭,即如何处理 Renolds 应力项,就形成了各种不同的湍流模

7、型。其中,应用最广泛且最为成功的是基于 Boussinesq 假设的湍流黏性系数法导出的标准 k?两方程模型,其控制方程为 4:t（k）+xi（kui）=xj!+!tk k xi+!t uj xi uj xi+ui xj-?（7）t（?）+xi（?ui）=xj!t?xj+C1!k uj xi uj xi+ui xj-C2?2k（8）其中!t=C!k2/?（9）式中:湍流黏性系数;C!湍流常数,一般情况下取 C!09;C1,C2,k,?经验常数,本文取 C1=1?47,C2=1?92,k=1?0,?=1?33 4。2.2?几何模型本文以 CRH2 型动车组为研究对象。实际列车表面并非是光滑的,而

8、是有许多大小不一的凹凸物,如车灯、门把手、受电弓、转向架等,对上述细部特征进行一一模拟将使计算模型太过复杂,在现有的计算条件下是难以实现的,因此需进行简化。本文着重研究列车曲面造型引起的气动噪声,采用 3 辆车编组,将列车简化为由一系列光滑曲面构成的几何体,头车和尾车具有相同的外形,列车长、宽、高分别为 76?4 m、3?38m、3?7 m,计算采用的模型如图 1 所示。图 1?CRH2 型动车组简化几何模型2.3?计算区域、边界条件及网格划分本文中高速列车的运行工况为平地、路堤、高架桥。在平地和路堤工况下,计算区域的入口距坐标原点 100 m,出口距坐标原点 300 m,两侧距离坐标原点均为

9、 40 m,顶端距坐标原点 40 m,列车与轨道所处地面之间的距离为 0?35 m,路堤宽度为 12 m,高度为5 m,边坡为 30;在高架桥工况下,计算区域的入口距坐标原点 100 m,出口距坐标原点 260 m,两侧距离坐标原点均为 40 m,顶端距坐标原点 40 m,高架桥桥体为箱梁,每个箱梁长 32 m,桥面宽 12 m,梁底宽5?5 m,梁高 3?5 m,桥墩高度为 12 m,截面为椭圆形,椭圆长轴为 2 m,短轴为 1?5 m。平地、路堤、高架桥的计算区域如图 2所示,边界条件的设置如表 1所示。表 1 中,v 为列车运行速度,I 为湍流强度,ReDH为按水力直径 DH计算得到的雷

10、诺数。2 铁道车辆?第 48卷第 5 期 2010 年 5 月?图 2?计算区域表 1?边界条件设置边界位置边界类型备注区域左侧速度入口v,I=0?16（ReDH）-1/8,DH=3?53 m区域右侧压力出口I=0?53 m区域两侧及顶端 对称边界区域底端滑移壁面模拟地面效应列车表面无滑移壁面本文所有计算模型均采用混合网格法对区域进行划分,空间网格采用四面体、六面体和三棱柱单元,物面采用三角形单元。各工况流场体单元总数均在 3?0#106 4?5#106范围内。文中高速列车模型借用CRH2 型动车组的几何尺寸数据,列车的头车车身表面网格如图 3所示。图 3?头车车身表面网格3?高速列车车身表面

11、噪声源计算本文计算了平地、路堤、高架桥 3 种运行工况下的高速列车外部绕流流场。每种运行工况下,分别计算5 个速度工况（200 km/h、250 km/h、300 km/h、350km/h、400 km/h）。在高速列车外部稳态流场计算结果的基础上,利用 Fluent 噪声模块中的 BroadbandNoise Sources Model 计算高速列车车身表面噪声源的分布,经计算获得的数据采用 2 个参数进行表征,以反映高速列车的气动噪声情况:（1）声功率,表示的是列车流场各向同性湍流产生的流场空间每单位体积的气动噪声功率;（2）表面声功率,表示的是由边界层湍流产生的列车表面每单位面积的气动噪

12、声功率。3.1?声功率级及表面声功率级分布图 4 为平地上运行速度为 300 km/h 时车身侧面、顶面和底面的声功率级分布云图,图 5 为纵向对称面外轮廓线上的声功率级分布图,图 6、图 7 为相应的表面声功率级分布云图及分布图。由图 4 和图 5 可以看出,列车车身声功率级最大的部位在头车,特别是流线型车头,其次是列车尾部,中间车的声功率级最小。主要的声源区域都是在气流容易分离、湍流运动比较剧烈的地方,因此优化列车头部形状及车身外形、减少凹凸物对气流的扰动是降低气动噪声的有效方法。此外,由图 4 还可以看出,在离车头一定距离以后,列车车身声功率级沿列车轴向变化较小,此规律证明了本文中应用简

13、化模型的合理性,即合理地缩短列车模型并不会改变列车车身声功率分布的基本规律。图 4?CRH2 型动车组车身声功率级分布云图图 5?CRH2 型动车组纵向对称面外轮廓线声功率级分布图图 6?CRH2 型动车组车身表面声功率级分布云图 3?高速列车车身表面气动噪声源研究?刘加利,张继业,张卫华图 7?CRH2型动车组纵向对称面外轮廓线表面声功率级分布图由图 6 和图 7 可以看出,车身表面声功率的分布情况和声功率很相似,在数值上表面声功率大于声功率。边界层湍流剧烈的位置表面声功率大,从整体上看列车底部前端、列车前端鼻部区域、列车头部流线型区域、列车尾部流线型区域是表面声功率较大的地方。可见,改进列

14、车整体表面外形、优化列车车身外形是降低表面声功率的有效方法。3.2?不同运行速度下车身表面噪声源比较高速列车车身表面噪声源的大小可以用最大声功率级（车身声功率级的最大值）和最大表面声功率级（车身表面声功率级的最大值）表示。图 8 给出了平地上 CRH2 型动车组头车、中间车、尾车的车身表面噪声源与列车运行速度的关系曲线,图 9 为平地上CRH2 型动车组纵向对称面外轮廓线噪声源在不同运行速度下的分布图。由图 8 和图 9 可以看出,列车头部鼻尖的声功率级、表面声功率级最大,列车头部前端鼻部往后到列车车厢的流线型区域和尾部鼻尖的声功率级、表面声功率级也很大,而列车中部区域的声功率级、表面声功率级

15、都很小。此外,头车、尾车的声功率级、表面声功率级与列车运行速度近似成线性变化,而中间车的声功率级、表面声功率级在低速（250 km/h）时变化较小,在高速时（250 km/h）与列车运行速度也近似呈线性变化。由此可见,随着列车运行速度的提高,列车车身声功率及表面声功率都显著增加,所以研究并降低气动噪声对发展高速列车至关重要。3.3?不同运行工况下车身表面噪声源比较图 10 给出了平地、路堤、高架桥上 CRH2 型动车组车身表面噪声源与列车运行速度的关系曲线。图 8?平地上 CRH2 型动车组车身表面噪声源与运行速度的关系曲线图 9?平地上 CRH2 型动车组纵向对称面外轮廓线噪声源在不同运行速度下的分布图